Energieforschung 2012 Überblicksberichte Recherche énergétique 2012 Rapports de synthèse

Überblicksberichte

Recherche énergétique 2012

Rapports de synthèse

Allgemeine Auskünfte: / Renseignements généraux : Dr. Rolf Schmitz, BFE, 3003 Bern / OFEN, 3003 Berne Tel. +41 (0)31 322 56 58 / Fax +41 (0)31 323 25 00

Edition & Layout: / Édition & mise en page :

Dr. Stefan Oberholzer, BFE, 3003 Bern / OFEN, 3003 Berne Tel. +41 (0)31 325 89 20 / Fax +41 (0)31 323 25 00

Bezugsort für Berichte / Centre de distribution pour les rapports : BFE, Sektion Kommunikation, 3003 Bern /

OFEN, Section Communication, 3003 Berne

Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen sind allein die Autoren der einzelnen Berichte verantwortlich.

Les auteurs des différents rapports portent seuls la responsabilité du contenu et des conclusions.

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29.04.2013

Fromagerie de Saignelégier in Betrieb genommen und ermöglicht eine Einsparung von 30‘000 l Heizöl pro Jahr, was einer Reduktion der CO₂-Emissionen von 79 t pro Jahr entspricht (Quelle: Institut für Solartechnik SPF-HSR, Rapperswil).

Page de titre :

Installation solaire avec des concentrateurs paraboliques linéaires de l‘entreprise suisse NEP Solar (www.nep-solar.com) : L’installation d’une surface de 627 m² (dix- sept modules du type PolyTrough 1800) a été mise en service en 2012 sur le toit de la Fromagerie de Saignelégier et permet d’économiser 30’000 l de mazout par an, ce qui équivaut à une réduction de 79 t d’émissions de CO₂ par an (Source : Institut pour la technologie solaire SPF-HSR, Rapperswil).

Überblicksberichte / Rapports de synthèse

Energieforschung 2012 Recherche énergétique 2012

Effiziente Energienutzung / Utilisation efficace de l’énergie

Querschnittsprogramme / Programmes Transverseaux

Energie – Wirtschaft – Gesellschaft / Énergie – Économie – Société ...239

Kernenergie / Énergie Nucléaire Kerntechnik und Nukleare Sicherheit / Technique et Sécurité nucléaires ...213

Regulatorische Sicherheitsforschung / Recherche réglementaire en sécurité ...215

Kernfusion / Fusion thermonucléaire contrôlée ...225

Radioaktive Abfälle / Déchets radioactifs ...231

Erneuerbare Energien / Sources d‘Énergie Renouvelables Solarwärme und Wärmespeicherung / Chaleur solaire et Stockage de chaleur ...107

Photovoltaik / Photovoltaïque ...117

Solare Hochtemperaturprozesse / Solaire industriel à haute température ...137

Wasserstoff / Hydrogène ...149

Biomasse und Holzenergie / Biomasse et Énergie du bois ...163

Wasserkraft / Force hydraulique ...179

Geothermie / Géothermie ...189

Windenergie / Énergie éolienne ...199

Talsperren / Barrages ...209

Vorwort / Avant-propos ...3

Energieforschungsprogramme 2012 / Programmes de recherche énergétique 2012 ...5

Energie in Gebäuden / Énergie dans les bâtiments ...11

Verkehr und Akkumulatoren / Transport et Accumulateurs ...23

Elektrizitätstechnologien und -anwendungen / Technologies et utilisations de l‘électricité ...33

Netze / Réseaux ...45

Wärmepumpen und Kälte / Pompes à chaleur et Froid ...57

Verbrennung und Wärme-Kraft-Kopplung / Combustion et Couplage chaleur-force ...67

Kraftwerk 2020 und CCS / Centrale thermique 2020 et CCS ...77

Brennstoffzellen / Piles à combustible ...85

Industrielle Prozesse / Processus industriels ...97

«Climate change is a hoax / Le changement climatique est un canular / Der Klimawandel ist eine Falschmeldung»

Chappatte © in «International Herald Tribune» – www.globecartoon.com

Vorwort

Das Bundesamt für Energie (BFE) koordiniert die Energiefor- schung in der Schweiz in enger Zusammenarbeit mit den anderen Institutionen, welche die Forschung unterstützen, insbesondere mit dem ETH-Rat, dem Staatssekretariat für Bil- dung, Forschung und Innovation (SBFI), der Kommission für Technologie und Innovation (KTI), dem Schweizerischen Na- tionalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (SNF), den universitären Hoch- und Fachhochschulen sowie den privaten Förderstellen der Energiewirtschaft. Die Energie- forschung der öffentlichen Hand richtet sich nach dem Kon- zept der Energieforschung des Bundes. Die Aufwendungen der öffentlichen Hand liegen jährlich bei rund 200 Mio. Fran- ken.

Ein Grossteil der Projekte wird an öffentlichen Forschungs- stätten durchgeführt. Auf Bundesebene sind die Hauptak- teure die Eidgenössischen Technischen Hochschulen in Zürich (ETH) und Lausanne (EPFL), das Paul Scherrer Institut (PSI) und die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa). Auf kantonaler Ebene engagieren sich die Universitä- ten und die Fachhochschulen. Ausserdem werden von öffent- lichen Stellen auch Forschungsprojekten von Industrie, Inge- nieurbüros und Privatpersonen Finanzhilfen gewährt. Solche Projekte werden möglichst partnerschaftlich mit öffentlichen Forschungsanstalten durchgeführt. Für das BFE gilt dabei das Prinzip der Subsidiarität, d. h. die öffentliche Förderung dient nur zur zwingend notwendigen Ergänzung der bereitgestell- ten privaten Mittel.

Die im vorliegenden Band publizierten Überblicksberichte der Programmleiter des BFE geben eine Übersicht zu den verschie- denen Aktivitäten in den einzelnen Forschungs- und Entwick- lungsbereichen. Eine Liste laufender und im Berichtsjahr abge- schlossener Projekte (total 474 Projekte) findet sich jeweils im Anhang der Überblicksberichte.

Avant-propos

L’Office fédéral de l’énergie (OFEN) coordonne la recherche énergétique en Suisse en étroite collaboration avec les autres institutions publiques de soutien à la recherche, en particu- lier le Conseil des EPF, le Secrétariat d’Etat à la formation, à la recherche et à l’innovation (SEFRI), la Commission pour la technologie et l’innovation (CTI), le Fonds national suisse de la recherche scientifi que (FNS), les Universités et les Hautes écoles spécialisées, ainsi que les fonds privés de l’industrie énergétique. Le Plan directeur de la recherche énergétique de la Confédération est le fil conducteur de la recherche soute- nue par les pouvoirs publics dans le domaine de l’énergie. Les dépenses des collectivités publiques se situent vers 200 MCHF par an.

Une grande partie des projets sont conduits par les établisse- ments de recherche publics. Au niveau fédéral, les principaux acteurs sont les Écoles polytechniques fédérales de Zurich (EPFZ) et de Lausanne (EPFL), l’Institut Paul Scherrer (PSI) et le Laboratoire fédéral d’essai des matériaux et de recherche (Empa). Au niveau cantonal, les Universités et les Hautes écoles spécialisées se répartissent les projets. En outre, il n’est pas rare que les collectivités publiques attribuent une aide fi- nancière à des projets de recherche de l’industrie, de bureaux d’ingénieurs ou de particuliers. Ces projets sont réalisés dans la mesure du possible en partenariat avec les établissements de recherche publics. Le principe de subsidiarité est appliqué par l’OFEN, c’est-à-dire que l’aide publique ne sert qu’à compléter les fonds disponibles lorsque cela est absolument nécessaire.

Le présent volume rassemble les rapports de synthèse annuels des chefs de programme de l’OFEN. On y trouvera une vue d’ensemble des activités dans les differents domaines de re- cherche et développement. Une liste des projets en cours et terminés dans l’année de référence (en total 474 projets) se trouve dans l’annexe des rapports de synthèse.

April 2013

Bundesamt für Energie (BFE)

Avril 2013

Office fédéral de l‘énergie (OFEN)

Energie in Gebäuden / Energie dans les bâtiments

www.bfe.admin.ch/forschunggebaeude

BFE Programmleiter: Rolf Moser (moser@enerconom.ch)

BFE Bereichsleiter: Andreas Eckmanns (andreas.eckmanns@bfe.admin.ch)

Akkumulatoren und Superkondensatoren / Accumulateurs et Supercondensateurs

www.bfe.admin.ch/forschungakkumulatoren

BFE Programmleiter: Martin Pulfer (martin.pulfer@bfe.admin.ch) BFE Bereichsleiter: dito

Elektrizitätstechnologien und -anwendungen / Technologies et utilisations de l‘électricité

www.bfe.admin/forschungelektrizitaet

BFE Programmleiter: Roland Brüniger (roland.brueniger@r-brueniger-ag.ch) BFE Bereichsleiter: Dr. Michael Moser (michael.moser@bfe.admin.ch)

Netze / Réseaux

www.bfe.admin.ch/forschungnetze/

BFE Programmleiter: Dr. Michael Moser (michael.moser@bfe.admin.ch) BFE Bereichsleiter: dito

Wärmepumpen und Kälte / Pompes à chaleur et Froid

www.bfe.admin.ch/forschung/verbrennung

BFE Programmleiter: Stephan Renz (renz.btr@swissonline.ch) BFE Bereichsleiter: Martin Pulfer (martin.pulfer@bfe.admin.ch)

Verkehr / Transport

www.bfe.admin.ch/forschungverkehr

BFE Programmleiter: Martin Pulfer (martin.pulfer@bfe.admin.ch) BFE Bereichsleiter: dito

Energieforschungsprogramme 2012

Programmes de recherche énergétique 2012

Verbrennung und Wärme-Kraft-Kopplung / Combustion et Couplage chaleur-force

www.bfe.admin.ch/forschung/verbrennung

BFE Programmleiter: Stephan Renz (renz.btr@swissonline.ch)

BFE Bereichsleiterin: Dr. Sandra Hermle (sandra.hermle@bfe.admin.ch)

Industrielle Prozesse / Processus industriels

www.bfe.admin.ch/forschungverfahrenstechnik

BFE Programmleiter: Dr. Michael Spirig (m.spirig@fomenta.ch) BFE Bereichsleiter: Martin Pulfer (martin.pulfer@bfe.admin.ch)

Solarwärme und Wärmespeicherung / Chaleur solaire et Stockage de chaleur /

www.bfe.admin.ch/forschungsolarwaerme

Chef de programme OFEN: Jean-Christophe Hadorn (jchadorn@baseconsultants.com) Chef de domaine OFEN: Andreas Eckmanns (andreas.eckmanns@bfe.admin.ch)

Photovoltaik / Photovoltaïque

www.bfe.admin.ch/forschungphotovoltaik / www.photovoltaik.ch

BFE Programmleiter: Dr. Stefan Nowak (stefan.nowak@netenergy.ch) BFE Bereichsleiter: Dr. Stefan Oberholzer (stefan.oberholzer@bfe.admin.ch)

Solare Hochtemperaturprozesse / Solaire industriel à haute température /

www.bfe.admin.ch/forschungindustriesolar

Chef de programme OFEN: Pierre Renaud (pierre.renaud@planair.ch)

Chef de domaine OFEN: Dr. Stefan Oberholzer (stefan.oberholzer@bfe.admin.ch)

Brennstoffzellen / Piles à combustible

www.bfe.admin.ch/forschungbrennstoffzellen

BFE Programmleiter: Dr. Stefan Oberholzer (stefan.oberholzer@bfe.admin.ch) BFE Bereichsleiter: dito

Kraftwerk 2020 und Carbon Capture & Storage / Centrale thermique 2020 et Carbon Capture & Storage

www.bfe.admin.ch/forschungkraftwerk

BFE Programmleiter: Dr. Peter Jansohn (peter.jansohn@psi.ch) BFE Bereichsleiter: Dr. Gunter Siddiqi (gunter.siddiqi@bfe.admin.ch)

Wasserstoff / Hydrogène

www.bfe.admin.ch/forschungwasserstoff

BFE Programmleiter: Dr. Stefan Oberholzer (stefan.oberholzer@bfe.admin.ch) BFE Bereichsleiter: dito

Biomasse und Holzenergie / Biomasse et Énergie du bois

www.bfe.admin.ch/forschung/biomasse

BFE Programmleiterin: Dr. Sandra Hermle (sandra.hermle@bfe.admin.ch) BFE Bereichsleiterin: dito

Wasserkraft / Force hydraulique

www.bfe.admin.ch/forschungwasserkraft

BFE Programmleiter: Dr. Klaus Jorde (klaus.jorde@kjconsult.net) BFE Bereichsleiter: Dr. Michael Moser (michael.moser@bfe.admin.ch)

Windenergie / Énergie éolienne

www.bfe.admin.ch/forschungwindenergie

BFE Programmleiter: Robert Horbaty (robert.horbaty@enco-ag.ch) BFE Bereichsleiterin: Dr. Katja Maus (katja.maus@bfe.admin.ch)

Kerntechnik und nukleare Sicherheit / Technique et Sécurité nucléaires *

http://nes.web.psi.ch

BFE Programmleiter: Dr. Jean-Marc Cavedon (Jean-Marc.Cavedon@psi.ch) BFE Bereichsleiter: Dr. Michael Moser (michael.moser@bfe.admin.ch)

Geothermie / Géothermie

www.bfe.admin.ch/forschunggeothermie

BFE Programmleiter: Dr. Rudolf Minder (rudolf.minder@bluewin.ch) BFE Bereichsleiter: Dr. Gunter Siddiqi (gunter.siddiqi@bfe.admin.ch)

Talsperren / Barrages

www.bfe.admin.ch/talsperren

BFE Programmleiter: Dr. Georges Darbre (georges.darbre@bfe.admin.ch) BFE Bereichsleiter: dito

Radioaktive Abfälle / Déchets radioactifs

www.bfe.admin.ch/forschungradioaktiveabfaelle

BFE Programmleiterin: Simone Brander (simone.brander@bfe.admin.ch) BFE Bereichsleiterin: dito

Energie – Wirtschaft – Gesellschaft / Énergie – Économie – Société

www.ewg-bfe.ch

BFE Programmleiterin: Dr. Nicole A. Mathys (Nicole.Mathys@bfe.admin.ch) BFE Bereichsleiterin: dito

Kernfusion /

Fusion thermonucléaire contrôlée *

http://crppwww.epfl.ch

BFE Programmleiter: Claude Vaucher (claude.vaucher@sbfi.admin.ch) BFE Bereichsleiter: Dr. Michael Moser (michael.moser@bfe.admin.ch)

Regulatorische Sicherheitsforschung / Recherche réglementaire en sécurité *

www.ensi.ch

BFE Programmleiter: Dr. Reiner Mailänder (reiner.mailaender@ensi.ch) BFE Bereichsleiter: Dr. Michael Moser (michael.moser@bfe.admin.ch)

* Die drei Forschungsprogramme Kerntechnik und nukleare Sicherheit, Regulato- rische Sicherheitsforschung und Kernfusion werden nicht direkt vom Bundesamt für Energie (BFE) betreut. Das BFE hat lediglich die Rolle der Auskunftsstelle inne.

Effiziente Energienutzung

Utilisation efficace de l’énergie

Bild vorherige Seite:

Nischenanwendungen als Wegbereiter spielen bei der Markteinführung der Brenn- stoffzellentechnologie eine wichtige Rolle. Im Projekt hy.muve der Empa und anderer Partner wurde ein praxistauglicher Brennstoffzellenantrieb entwickelt, mit welchem der energetische Verbrauch eines Wischfahrzeuges der Firma Bucher Schörling ge- genüber einem dieselmotorischen Antrieben halbiert werden konnte. Insbesondere wurden auch die Geräuschemissionen solcher Fahrzeuge erheblich reduziert. Das Fahrzeug war in den letzten Jahren in verschiedenen Schweizer Städten erfolgreich im Einsatz (www.Empa.ch/hy.muve).

Aerogel from sodium silicate Towards cost-effective mass production technologies

Die Empa beschäftigt sich schon seit Jahren mit der Nutzung von Aerogel für die Gebäudedämmung. So wurde der im vergan- genen Jahr auf dem Markt eingeführte Aerogel-Dämmputz in Zusammenarbeit mit der Empa entwickelt. In einem neuen Projekt soll nun eine neue Generation von Aerogel entwickelt werden, die auf einem günstigeren Ausgangsprodukt basiert. Die Heraus- forderung besteht darin, die Stabilität des Gels für eine Anwendung nachhaltig zu erhöhen. Damit könnte das heute noch relativ teure Material kostengünstiger hergestellt werden. (Bildquelle: Empa).

Rolf Moser

Energie in Gebäuden

IEA Klassifikation: 1.2 Residential and commercial Schweizer Klassifikation: 1.1 Energie in Gebäuden

Einleitung

Die Nuklearkatastrophe von Fukushima im März 2011 hat in der Schweiz eine alte politische Kontroverse wieder an- gestossen: wie sieht der Weg zu einer er- neuerbaren Energiewirtschaft aus? Der Bundesrat hat 2012 seine Vorstellungen dazu formuliert: neben der Effizienz- steigerung gewinnen die erneuerbaren Energieträger zunehmend an Bedeu- tung. Insbesondere unter dem Eindruck der im vergangenen Jahr stark abneh- menden Photovoltaik-Preise rücken die- se Pläne schneller in Reichweite. Paral- lel dazu werden die energiepolitischen Zielsetzungen ohne weitere flankierende Massnahmen nicht in vernünftiger Frist erreichbar sein. Neben der viel diskutier- ten Deckung der mittelfristigen Elektri- zitätslücke bleibt der Ersatz der fossilen Energieträger ein brisantes Thema.

Die Diskussion energiepolitischer The- men in der breiten Bevölkerung ist willkommen und ebnet den Weg für Massnahmen. So stehen dem BFE in den kommenden Jahren zusätzliche Förder- mittel für Pilot- und Demonstrationsan- lagen (P&D) zur Verfügung, die unter anderem in besonders augenfällige Pro- jekte (Leuchttürme) investiert werden sollen. Die direkte Förderung der Ener- gieforschung durch das BFE wird auf dem Niveau der Vorjahre weitergeführt.

Fukushima hat einige bereits bekannte Themen akzentuiert: so wurden 2012 mehrere Projekte zum Thema Gebäude als Speicherkraftwerke vorgeschlagen, als Beitrag für einen Ausgleich der wech- selhaften Produktion durch erneuerbare Energien. Das Speicherthema wie auch die produktionsgeführte Nachfragerege- lung (Smart Building und Smart Grid) ha- ben generell an Bedeutung gewonnen.

Daneben bewegt sich die Energiefor- schung zunehmend vom Einzelgebäude zum Areal: Mit Forschung und Pilot- projekten zum Thema Plusenergiehaus konnte der Nachweis von Gebäuden mit einer neutralen Betriebsenergie-Bilanz erbracht werden. Nun sollen vermehrt die Synergien in Quartieren und Stadttei- len genutzt werden. Dies bedingt neben den Beiträgen aus der Forschung vor al- lem verstärkte Aktivitäten in der Anwen- dung und Umsetzung.

Ein weiterer Schwerpunkt der Tätigkei- ten im Forschungsprogramm war 2012 das Vierjahresprogramm: auf der Grund- lage des CORE-Programms (CORE = Eidgenössische Energieforschungskom- mission) wurde Mitte 2012 ein neues Vierjahresprogramm formuliert. Dieses definiert die Forschungsschwerpunkte, welche in den Jahren 2013–2016 un- tersucht werden sollen und dient gleich- zeitig als mittelfristige Grundlage zur Beurteilung von Projektvorschlägen im Forschungsprogramm.

Für das Forschungsprogramm Energie in Gebäuden wurden im Vierjahrespro- gramm 2013–2016 folgende Schwer- punkte definiert:

• Bauerneuerung hat Priorität vor Neu- bau: In den vergangenen Jahren hat sich die energetische Qualität von Neubauten stark verbessert. In den nächsten Jahren steht vermehrt die Verbesserung der bestehenden Ge- bäude im Fokus.

• Technologie optimal nutzen: Auf- grund des abnehmenden Gewichtes des Heizenergiebedarfs gewinnen die Nebenbezüger wie Hilfsantriebe, För- derpumpen und das Warmwasser an Gewicht. Auch der Energiebedarf für Kühlung wird in Zukunft ansteigen.

• Vom Gebäude zum Areal: Die Be- trachtung geht weg vom Einzelteil hin zur systemischen Gesamtsicht.

Die Systemgrenze wird über das Ge- bäude hinaus ausgedehnt zu Arealen, Siedlungen oder ganzen Städten.

Dabei sind Themen der Arealversor- gung, Abwärmenutzung, gegenseiti- ge Beeinflussung verschiedener Ge- bäude zu beachten.

• Speicherkraftwerk Haus: Jedes Ge- bäude hat ein Potenzial als Kraftwerk.

Energiequellen im Untergrund, der Umgebung oder vom Dach wie auch die gekoppelte Erzeugung von Wär- me und Elektrizität müssen in Zukunft konsequent genutzt werden. Um die damit einhergehende Fluktuation der Rückspeisung und des Verbrauchs von elektrischem Strom zu reduzie- ren, sollen vermehrt Energiespeicher- möglichkeiten im Gebäude genutzt werden.

• Indirekter Energiebedarf: Die von den Gebäuden und ihren Nutzern indirekt beeinflussten Energieaspekte müssen in ihrer Gesamtheit beurteilt werden. Graue Energie und durch den Standort bedingte Mobilität sind offensichtlich für den ökologischen Fussabdruck eines Gebäudes ent- scheidend. Die Bewohner tragen mit ihrem Verhalten wesentlich zum Ener- gieverbrauch bei.

Rückblick und Bewertung 2012 Das Jahr 2012 bildete im Forschungspro- gramm Energie in Gebäuden Abschluss und Neuanfang in verschiedener Hin- sicht:

• Da war einmal der Wechsel in der Programmleitung, der dank der sorg- fältigen Vorbereitung des scheiden- den Prorammleiters Charles Filleux gut überbrückt wurde.

• Mit diesem Wechsel zusammen fällt ebenfalls der Abschluss einer grossen Zahl von Forschungsprojekten, die 2009 im Rahmen einer Ausschrei- bung initiiert worden waren. Etwas mehr als 30 Schlussberichte konnten Anfang 2012 auf der BFE-Homepage publiziert werden. Eine entsprechen- de Übersicht ist im Jahresbericht 2011 des Programmes ersichtlich.

• Das Jahr bildete auch den Abschluss der Programmphase 2008–2012, die mit dem neuen CORE-Forschungs- konzept und dem neuen BFE-Vier- jahresprogramm abgeschlossen resp.

neu begonnen wurde.

Die 2012 abgeschlossenen Projekte be- treffen z. B. die solar-orientierte Konzep- tion von Gebäuden, die Wechselwirkung von Gebäuden im städtischen Raum, das Gebäude als Kraftwerk oder intelligente regeltechnische Systeme. Diesen Projek- ten gemeinsam ist eine grosse Nähe zur praktischen Anwendung – entweder in der Konzeption oder in der Umsetzung von energetisch optimalen Gebäuden.

Die Energieforschung orientiert sich da- bei möglichst an den realen Bedürfnis- sen des Marktes mit einer mittelfristigen Vision der Entwicklung.

Ausblick

Zum Jahreswechsel 2012/2013 wurde eine Serie spannender neuer Projekte gestartet, die wiederum aktuelle The- men der Energieforschung behandeln.

Hier einige Beispiele:

• Entwicklung eines kostengünstigeren Aerogel-Dämmmaterials;

• Untersuchung der ökologisch sinnvol- len Dämmstärke von Gebäuden;

• Erarbeitung der Grundlagen für eine Aktualisierung der SIA 380/4 im Zu- sammenhang mit der Wirkung von Sonnenstoren;

• In einem geplanten Projekt nationa- ler Bedeutung soll der mögliche Bei- trag des schweizerischen Gasnetzes zur Lösung der Speicherproblematik Sommer/Winter im Zusammenhang mit Gebäuden untersucht werden.

Dieses Projekt soll in Abstimmung mit dem Forschungsprogramm Netze rea- lisiert werden.

Im Frühling 2013 soll im Forschungspro- gramm wie bereits 2009 ein Aufruf zur Eingabe neuer Forschungsprojekte reali- siert werden. Dabei werden im Wesent- lichen die Schwerpunkte des Vierjahres- programmes aufgegriffen, wobei einige Themen auch detaillierter vorgegeben werden.

Die Energieforschung hat in den ver- gangenen Jahren stetig an Bedeutung gewonnen, entsprechend werden die Mittel in verschiedenen Kanälen laufend aufgestockt. Um die Forschungsmittel des Bundes möglichst effizient einset- zen zu können, wird die BFE-interne, die nationale und die internationale Vernet- zung zunehmend wichtiger.

Programmschwerpunkte

Am Ende des Berichtsjahres 2012 um- fasst das Forschungsprogramm Energie in Gebäuden 32 laufende Projekte, da- von 8 Pilot- und Demonstrationsprojek- te. Stellvertretend werden nachfolgend zwei Forschungs- und ein P&D-Projekt vorgestellt, die Ende Berichtsjahr abge- schlossen wurden.

Kraftwerk «Haus» im ländlichen Raum

Die dezentrale Produktion erneuerbarer Energien und die intelligente Steuerung von relevanten Stromverbrauchern im

Haushalt sind im Bereich der Elektrizi- tätsversorgung zentrale Elemente für die Umsetzung der Schweizer Energiestrate- gie 2050. Am Ökozentrum in Langen- bruck wurde in einem Praxisversuch ein lokales Strom-Lastmanagement (LLM) mit verschiedenen Verbrauchern und einer Photovoltaikanlage installiert und auf Erzeugung und Verbrauch analysiert.

Das Ziel der verwendeten Algorithmen war eine Reduktion von Bezugsspitzen aus dem Versorgungsnetz und eine Erhöhung des Eigenstromverbrauchs.

Basierend auf Meteodaten wurde zu- sätzlich die Wirkung einer prädiktiven Regelung untersucht.

Gemessen am Leistungsbezug des Gebäudes aus dem Versorgungsnetz konnte das LLM die Lastspitzen an Wo- chentagen um den Faktor 7 reduzieren.

Während der Zeit mit erhöhtem Bezug aus dem Versorgungsnetz konnten die Lastspitzen um den Faktor 4 reduziert werden. Der Eigenstromverbrauch konn- te durch das LLM von 32 % auf über 50 % erhöht werden.

Die prädiktive Regelung war für das In- stitutsgebäude mit geringer thermischer und ohne elektrischer Speichermög- lichkeit schwierig umzusetzen. Die Ab- weichungen des prognostizierten zum effektiv produzierten Stromertrag am Standort des Institutsgebäudes waren zu gross, um eine prädiktive Regelstrategie mit signifikantem Nutzen für die Reduk- tion der Lastspitzen einzusetzen.

Betrachtungen zur Technik und zur Öko- nomie zeigen, dass ein effizientes und wirtschaftliches LLM aktuell nur mit aus- gewählten Verbrauchern mit relevantem Strombedarf wie Wärmepumpen-Ge- bäudeheizung, Warmwassererwärmung und Elektroauto-Ladestationen zu erzie- len ist. Speziell für Kleinverbraucher wie Gefrier- und Kühlgeräte sowie Wasch- maschinen und Geschirrspüler ist der Aufwand für die Installation, Program- mierung und Abrechnung eines LLM tendenziell zu hoch, betrachtet man die finanziell möglichen Einsparungen.

Neben dem Lastmanagement sollten in zukünftigen Projekten weitere Optionen für das Zusammenspiel von dezentralen Produktionsanlagen und Netz geprüft werden. Die Leistungsreduktion bei Pho- tovoltaikanlagen oder dezentrale Strom- speicherung sind mögliche Ergänzun- gen zum LLM. Speziell für die saisonale Energieversorgung sind stromgeführte Mikro-WKK-Anlagen im Gebäude zu prüfen.

Urbanes Klima und Energie- bedarf in Gebäuden

In den vergangenen Jahrzehnten hat sich der Anteil der Bevölkerung, welche in städtischen Gebieten lebt, kontinuier- lich vergrössert. Durch die grosse Gebäu- dedichte wird das Mikroklima in städti- schen Gebieten deutlich verändert. Die Figur 1: Der spezifische Ertrag von Photovoltaikanlagen kann basierend auf Meteodaten in-

nerhalb von 24 h gut prognostiziert werden. Der Elektrizitätsversorger einer Region kann damit die Regelstrategie von lokalen Lastmanagement-Systemen anpassen. (Quelle: VSE- Bulletin 12s/2011 / Ökozentrum Langenbruck).

Highlights aus Forschung und Entwicklung

8 7 6 5 4 3 2 1

01.8. 4.8. 7.8. 10.8. 13.8. 16.8. 19.8. 22.8. 25.8 28.8. 31.8.

Datum Messung

Prognose (24 h)

PV-Tagesertrag [kWh/kWp]

Figur 2: Mit Windkanalmesssungen wurden das Strömungsverhalten und die Temperatur- verteilungen aus den Berechnungen validiert. Dazu wurde ein Modell der Strassenflucht mit einem Abstand zu Höhe-Verhältnis von 1 aufgebaut. Die Strömungsmessung basieren auf Partikelmessungen (Quelle: Final Report Urban Climate and Energy Demand in Buildings, Empa/Basler&Hofmann AG, Dezember 2012).

Intensität des städtischen Wärmeinselef- fekts nimmt mit höheren Gebäudedich- ten und wachsenden Städten zu. Der Kli- makälte- und der Heizwärmebedarf von Gebäuden werden stark vom lokalen Mikroklima um das Gebäude beinflusst.

Das Ziel dieses Projektes war es, den Einfluss des städtischen Mikroklimas auf den Energiebedarf von Gebäuden zu un- tersuchen, mit Hilfe von detaillierten Ge- bäudeenergiesimulationen. Die meisten heute eingesetzten Gebäudesimulati- onsmodelle wurden für freistehende Ge- bäude entwickelt und berücksichtigen deshalb die Effekte des städtischen Mi- kroklimas nicht. Für dieses Projekt wurde ein Gebäudesimulationsmodell so ange- passt, dass es das städtische Mikroklima berücksichtigen kann.

Die drei Hauptaspekte des städtischen Mikroklimas sind, geordnet nach deren Wichtigkeit:

• der Strahlungsaustausch zwischen benachbarten Gebäuden;

• der städtische Wärmeinseleffekt;

• der reduzierte konvektive Wärme- übergang infolge kleinerer Windge- schwindigkeiten.

Der solare und langwellige Strahlungs- austausch zwischen benachbarten Gebäuden wurde mit dem im Gebäu- desimulationsmodell implementierten Strahlungsaustausch-Modell modelliert.

Um dieses für Aussenräume zu verwen- den, wurden die Strassenschluchten als Atrien behandelt. Effekte der städtischen Wärmeinsel wurden aus Tagesgängen der umfangreichen Messdatensätzen für

Basel aus dem BUBBLE-Projekt abgelei- tet. Der dritte Einfluss des reduzierten konvektiven Wärmeübergangs an den Fassaden wurde in umfangreichen CFD (computational fluid dynamics) Simulati- onen ermittelt und dann auch mit Mes- sungen im Windkanal validiert.

Im Hauptteil dieses Projektes wurden Simulationen für Büro- und Wohn- gebäude für das Klima von Basel mit verschiedenen Konfigurationen von freistehenden Gebäuden und Strassen- schluchten durchgeführt. Die Resultate zeigen einen starken Einfluss des städ- tischen Mikroklimas auf den Heiz- und

insbesondere den Klimakältebedarf. Die Änderungen des Energiebedarfs für ver- schiedene lokale Mikroklimas können in derselben Grössenordnung sein, wie der Energiebedarf für das alleinstehende Gebäude. Dies zeigt die Wichtigkeit auf, das lokale Mikroklima bei der Berech- nung des Energiebedarfs zu berücksich- tigen.

Abschliessend wurden Gebäudesimulati- onen für verschiedene Klimata (Madrid, Spanien und New Delhi, Indien) durch- geführt. Der für Basel beobachtete Trend bestätigte sich dabei für die anderen Standorte.

Pilot- und Demonstrationsprojekte

Testinstallationen zu Wämeverlusten von Funktionsöffnungen

Die Tests mit den Produkten der Firma OEKAG WasserTechnik AG bilden eine Fortsetzung des Forschungsprojektes

«Wärmeverlust von Funktionsöffnun-

gen», das 2010 abgeschlossen wurde.

Das Forschungsprojekt hatte interessan- te Resultate aufgezeigt:

• Wärmeverluste über Funktionsöff- nungen können bei Minergie Gebäu- den 20 % bis 30 % des Heizwärme- bedarfs ausmachen.

• Je kompakter das Gebäude, desto grösser der anteilsmässige Verlust über die Funktionsöffnungen.

• Selbst bei gering isolierten Gebäu- den, die vor 1988 erstellt wurden, können Funktionsöffnungsverluste über 10 % des Heizwärmebedarfs ausmachen.

Figur 3: Grafik: Heiz- und Kühlenergiebedarf: FS = freistehendes Gebäude; ST = Stadtsitua- tion). Der Heizenergiebedarf nimmt in der innerstädtischen Situation gegenüber dem allein- stehenden Gebäude ab, je nach Gebäudetyp sogar deutlich. Der Kühlenergiebedarf nimmt in der innerstädtischen Situation gegenüber dem alleinstehenden Gebäude um Faktoren zu, allerdings auf einem gegenüber dem Heizbedarf noch relativ bescheidenen Niveau (max.

4 Wh/m²a) (Quelle: Final Report, Empa/Basler&Hofmann AG, Dezember 2012).

Die damalige Arbeit hat sich in verschie- dener Hinsicht ausgewirkt: in der nächs- ten Ausgabe der SIA-Norm 380/1 sollen die Verluste von Funktionsöffnungen systematisch berücksichtigt werden.

Mit den Produkten der Firma OEKAG WasserTechnik AG sind die Resultate in ein Produktedesign eingeflossen. In zwei Pilot- und Demonstrationsprojekten werden die Produkte getestet, die dem

Energieverlust von Funktionsöffnungen entgegenwirken sollen:

• Das Ventil VD wird ausserhalb der Ge- bäudehülle beim Dachaustritt vertikal bei Fortluftleitungen eingebaut.

• Das Ventil SD wird ebenfalls vertikal bei Sanitärdunstrohren beim Dach- austritt eingebaut.

• Der Dachwasser-Einlauf Typ W wird als Plug In Element in den vorhande- nen Dachwassereinlauf eingesetzt.

Das Funktionsprinzip der Ventile ist ein- fach: aufsteigende Warmluft aus dem Rohrinneren wird wird von einer elas- tischen, magnetischen Membranver- schlussklappe zurückgehalten, die in der Regel unisolierten Rohrleitungen kühlen weniger aus.

Auf dem Dach des D4 Business Center Luzern in Root werden drei Ventile wäh- rend eines Jahres getestet. Mittels detail- lierten Messkampagnen wird einerseits die Funktionalität, andererseits die ener- getische Wirkung der Ventile geprüft.

Die Projekte werden von Fachleuten der Hochschule Luzern begleitet. Die HSLU war auch an der ursprünglichen For- schungsarbeit über Verluste von Funkti- onsöffnungen beteiligt.

Figur 4: OEKAG EnergyStop® – Ventile für Funktionsöffnungen vermeiden Wärmeverluste in Lüftungs- und Sanitärrohren. Sie basieren auf einer magnetischen Membranklappe, die bei Nichtverwendung der Funktion eine Luftzirkulation verhindert. Je nach Funktion (Fort- luft, Be- und Entlüftung für Sanitärdunstrohre) wird das Membranmodul in unterschiedlicher Richtung eingebaut. Die OEKAG EnergyStop® Ventile befinden sich sich zur Zeit im Feldtest, sie sind aber auch bereits auf dem Markt erhältlich (Quelle: OEKAG WasserTechnik AG).

Seit vielen Jahren pflegt das Forschungsprogramm Energie in Gebäuden eine enge Zusammenarbeit mit den namhaf- ten Forschungsteams im Tätigkeitsbereich des Program- mes. Dies betrifft beispielsweise die Eidgenössisch Tech- nische Hochschule Zürich mit den Forschungsteams von Prof. Dr. L. Guzzella und Prof. Dr. H.J. Leibundgut, an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ist es das Forschungsteam LESO von Prof. Dr. J. L. Scartezzini. Auch mit den Fachhochschulen wurde ein reger Austausch ge- pflegt: Das Team von Prof. Dr. St. Citherlet, LESBAT von der HEIG-VD in Yverdon, ist an Forschungsprojekten be-

teiligt, eines davon auf dem Gebiet der Gebäudesanie- rung. Die Fachhochschule Nordwestschweiz (Teams von Prof. A. Binz und Prof. Dr. Th. Afjei) war ebenfalls an mehreren Projekten beteiligt, u. a. zum Thema «Net Zero Energy Buildings». Die langjährige Zusammenarbeit mit der Hochschule Luzern wurde weitergeführt, so z. B. mit dem Zentrum für Integrale Gebäudetechnik (ZIG) von Prof.

U.P. Menti, dem CC Typologie & Planung in Architektur von Prof. Dr. Peter Schwehr oder der Abteilung Gebäudetech- nik mit Prof. Dr. Heinrich Manz. Schliesslich bestehen auch gute Kontakte zur italienischsprachigen Schweiz, nämlich

Nationale Zusammenarbeit

zu diversen Forschungsteams an der Scuola Universitaria Professionale della Svizzera Italiana (SUPSI). Regelmässige Kontakte werden zum nationalen Kompetenznetzwerk Brenet (Building and Renewable Energies Network of Tech- nology, www.brenet.ch) wahrgenommen. Beim Brenet- Statusseminar 2012 und bei der CISBAT-Konferenz 2013 wirkt die Programmleitung auch im technischen Komitee mit.

Eine erfolgreiche Zusammenarbeit besteht mit dem Verein Energie-Cluster (www.energie-cluster.ch) im Rahmen der Innovationsgruppen Plusenergiegebäude. Die Programm- leitung vertritt das BFE in der Begleitgruppe des Projekts Use of Weather and Occupancy Forecasts for Optimal Building Climate Control (OptiControl) der ETHZ, Meteo-

Schweiz, der und der Industrie, welches durch Swisselectric Research unterstützt wird.

Zur Sicherstellung der Umsetzung der aus der Forschung gewonnenen Erkenntnisse wird eine enge Zusammenar- beit mit dem Programm EnergieSchweiz gepflegt. Auf Pro- grammebene werden sporadische Kontakte zu KTI, BAFU und Swisselectric Research gepflegt.

Zur Absprache der Forschungsprojekte findet ein reger Austausch mit der Stadt Zürich statt, die in einem ähnli- chen Bereich namhafte Unterstützung leistet. Eine weitere Plattform für eine nationale Absprache bilden halbjährli- chen Sitzungen mit der Begleitgruppe des Forschungspro- gramms, diese wird Anfang 2013 neu besetzt.

Die internationale Zusammenarbeit findet hauptsächlich in Form der Beteiligung an den beiden Implementing Agree- ments «Energy Conservation in Buildings and Community Systems ECBCS» und «Solar Heating and Cooling SHC»

der Internationalen Energieagentur (IEA) statt. Als Chair des ECBCS-Agreements und gleichzeitig verantwortlicher Bereichsleiter des BFE verknüpft Andreas Eckmanns die nationale Forschung eng mit den Aktivitäten der IEA. Das halbjährliche Treffen des Executive Comitee der ECBCS konnte im Jahre 2012 in Bern durchgeführt werden; im Rahmen eines Technical Day hatten schweizer Forscher die Gelegenheit, ihre Resultate der internationalen Forscherge- meinschaft vorzustellen.

Die Beauftragten des Forschungsprogramms Energie in Gebäuden sind international gut vernetzt. Die Bereitschaft, in internationalen Forschungsprojekten mitzuwirken, ist gross. Die bisherigen Erfahrungen und der Nutzen dieser Zusammenarbeit für die Schweiz sind im allgemeinen sehr positiv. Das Forschungsprogramm war 2012 in verschie- densten Projekten engagiert:

• SHC Task 41 Solar Energy and Architecture, an welchem die HSLU CCTP und das SUPSI ISAAC-DACD teilnehmen.

• Die FHNW vertritt die Schweiz im kombinierten ECBCS Annex 52/SHC Task 40 «Nullenergie-Gebäude – die nächste Generation Energieeffizienter Bauten».

• Das LESO-PB vertritt die Schweiz im ECBCS Annex 51

«Energy Efficient Communities: Case Studies and Stra- tegic Guidance for Urban Decision Makers».

• Die Firma Econcept und das LESBAT nehmen im ECBCS Annex 56 «Cost Effective Energy and Carbon Emissions and Optimiziation in Buliding Renovation» teil.

Das Forschungsprogramm ist im ERA-Net Eracobuild im Rahmen des EU Framework Programme 7 vertreten. Im Rahmen des Eracobuild ERA-Net-Calls «Sustainable Re- novation of Buildings» beteiligt sich das Forschungspro- gramm an zwei Projekten: INSPIRE «Integrated strategies and policy instruments for retrofitting buildings to reduce primary energy use and GHG emissions» und School vent cool «Ventilation, cooling and strategies for high perfor- mance school renovations».

Die EU-Finanzierung für dieses ERA-Net lief im April 2012 aus. Das Netzwerk wird jedoch autonom weitergeführt mit dem Ziel eines strategischen Austausches auf Ebene der nationalen Forschungsförderung. Daraus sollen in Zukunft insbesondere bei EU-Initiativen (Smart Cities, JPI Urban Eu- rope, etc.) gemeinsame Projekteingaben erwachsen.

Internationale Zusammenarbeit

[1] Rolf Moser, Andreas Eckmanns: Konzept des Forschungs- programm Energie in Gebäuden 2013–2016, Bundesamt für Energie, September 2012.

Referenzen

Laufende und im Berichtsjahr abgeschlossene Projekte

(* IEA-Klassifikation)

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Lead: HSLU Funding: BFE

Contact: Rudolf Furter rudolf.furter@hslu.ch Period: 2011–2013

Abstract: Erfolgskontrolle des 4-Familienhaus B35 in Zero-Carbon-lowEx-Technologie.

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Lead: Stefan und Anna Katharina Mathez Funding: BFE

Contact: Stefan Mathez stevie@solarcampus.ch Period: 2011–2014

Abstract: Das ambitionierte 75%-Ziel soll dank modernster Gebäudetechnik, der Nutzung des betonierten Gebäudekerns als Wärmespeicher (ca.

50% der Betonmasse), einer allseits verglasten Fassade, sowie eines durchdachten Solarkonzeptes erreicht werden.

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mEhrFamiliEnhaUs in wETZiKon R&D 1.2

Lead: AirOn / HSLU Funding: BFE

Contact: Adrian Peterhans adrian.peterhans@air-on.ch Period: 2011–2013

Abstract: Ein neu entwickeltes Einzelraumklimagerät soll im Labor, in einer Musterwohnung eines Sanierungsprojektes und in zwei normal genutzten Wohnungen ausgemessen werden. Mittels Simulationen wird das Gerät auf das Energieeinsparpotenzial in weiteren Situationen überprüft, sowie aufgrund der gemachten Erfahrungen weiter optimiert.

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Lead: EPFL/ENAC/ICARE/LESO-PBX Funding: BFE

Contact: Morel Nicolas nicolas.morel@epfl.ch Period: 2009–2012

Abstract: Le but du projet est le développement d'un algorithme de contrôle avancé pour un vitrage électrochromique, tenant compte à la fois d'une optimisation énergétique par rapport aux gains solaires directs et du confort (visuel et thermique) des utilisateurs.

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généralisaBlE dans lE nEUF ET la rénovaTion R&D 1.2

Lead: Université de Genève Funding: BFE

Contact: Mermoud Floriane floriane.mermoud@unige.ch Period: 2009–2012

Abstract: Ce projet étudie le chauffage et la production d’eau chaude sanitaire à partir d’une installation solaire (capteurs solairesnon couverts) utilisée hors ensoleillement comme absorbeurs sur air pour une pompe à chaleur, dans le but est d’atteindre un COP global annuel de 5.

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dECision maKErs (iEa ECBCs annEx 51) R&D 1.2

Lead: EPFL/ENAC/ICARE/LESO-PBX Funding: BFE

Contact: Jerome Kaempf jerome.kaempf@epfl.ch Period: 2009–2012

Abstract: Our main aim in this is to disseminate the advances that have and are being made in Switzerland with respect to the planning, design and construction of relatively sustainable urban communities as well as planning and design tools to support these efforts.

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Lead: FHNW/HSLU Funding: BFE

Contact: Kobler René L. rene.kobler@fhnw.ch Period: 2010–2013

Abstract: Erarbeiten ganzheitlicher Sanierungsstrategien betreffend das gesamte System «Schulhaus» inklusive Energieversorgung, Lüftung und Kühlung, als auch die thermische Behaglichkeit.

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TransparEnTEs ET TranslUCidEs R&D 1.2

Lead: École d'ingénieurs de Genêve / SUPSI Funding: BFE

Contact: Pahud Daniel daniel.pahud@supsi.ch Period: 2009–2012

Abstract: Il s’agit de développer un dispositif transportable appelé « g-box » pour la mesure in situ des propriétés thermiques de façades transparentes et translucides et en particulier de leur valeur g.

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Lead: Aleaxander Ritz Funding: BFE

Contact: Mark Zimmermann mark.zimmermann@Empa.ch Period: 2011–2012

Abstract: Das Projekt «Gesamterneuerung Schulhaus Krummbach» ist ein Demonstrationsvorhaben, um die im Rahmen des CCEM-Retrofit Projekts entwickelten vorgefertigten Sanierungslösungen umzusetzen und zu demonstrieren.

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Lead: econcept AG Funding: BFE

Contact: Ott Walter walter.ott@econcept.ch Period: 2010–2014

Abstract: Die Vorbereitungsphase bis Juni 2011 besteht in der Konzeption der methodologie für Subtask A.

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Lead: HSLU Technik + Architektur , SUPSI Funding: BFE

Contact: Ehrbar Doris doris.ehrbar@hslu.ch Period: 2009–2012

Abstract: Im Rahmen der IEA SHC Task 41 werden Prozesse und Hilfsmittel für Architekten im frühen Entwurfsstadium untersucht, mit dem Ziel , die Integration von solaren Stragien zu fördern.

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To rEdUCE primary EnErgy UsE Und ghg Emissions R&D 1.2

Lead: TEP Energy / econsult Funding: BFE

Contact: Martin Jakob martin.jakob@tep-energy.ch Period: 2010–2013

Abstract: Die Ziele des Projekts sind Berechnung und Darstellung der spezifischen Primärenergie- und CO2-Vermeidungskosten und der CO2- Vermeidungs-potenziale für einzelne repräsentative Gebäudetypen und Erneuerungssituationen, sowie das Erarbeiten von kosten- und nutzenoptimalen Strategien und Lösungspfaden, welche zu Leitlinien und Entscheidungsgrundlagen aufbereitet werden.

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Lead: EPFL/ENAC/ICARE/LESO-PBX Funding: BFE

Contact: Schueler Andreas andreas.schueler@epfl.ch Period: 2009–2012

Abstract: In this project, a novel integrated concept and the development of advanced glazing for dynamical daylighting are studied. The novel glazing will combine the functions of daylighting, glare protection, overheating protection in summer and thermal insulation in winter.

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Lead: Ökozentrum Langenbruck / FHNW Funding: BFE

Contact: Sattler Michael michael.sattler@oekozentrum.ch Period: 2009–2012

Abstract: Das Projekt Kraftwerk Haus im ländlichen Raum – Umsetzung von Biomasse Wärme-Kraft-Anlagen und Strom-Lastmanagement hat zum Ziel, den ersten Schritt in der sukzessiven Transformation des Gebäudes vom reinen Energiebezüger zum Energielieferanten, zum Kraftwerk Haus, in der Praxis zu erproben und zu erforschen.

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Lead: FHNW Funding: BFE

Contact: Hall Monika monika.hall@fhnw.ch Period: 2011–2014

Abstract: Beschrieb von erfolgreichen Massnahmen zur Verbrauchsreduktion bei der Mieterschaft, insbesondere Anreizmodelle durch Verbrauchsinformation und detaillierte Energieabrechnung. Aufzeigen von rechtl. Einflüssen und Hindernissen bei der Bewirtschaftung von vermieteten MFH. Untersuchung zur Einbindung des Elektroautos in das System «Gebäude».

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sToFFBEwirTsChaFTUng P&D 1.2

Lead: ETHZ IMRT Funding: BFE

Contact: Guzzella Lino lguzzella@ethz.ch Period: 2009–2012

Abstract: Das Ziel dieses Projektes ist darum die Entwicklung neuer Algorithmen für das optimale Management von Energie- und Stoffflüssen in Gebäuden. Die Neue Monte Rosa-Hütte wird als Demonstrationsobjekt verwendet, wobei das Hauptziel eine möglichst hohe Energieautarkie ist.

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Lead: Empa Building Technologies / BFH Funding: BFE

Contact: Carmeliet Jan jan.carmeliet@Empa.ch Period: 2009–2012

Abstract: The aim of this project is to evaluate and to further develop sustainable renovation technologies for historical buildings (end 19th – beginning 20th century).

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annEx 52 / iEa shC TasK 40) R&D 1.2

Lead: Fachhochschule Nordwestschweiz Funding: BFE

Contact: Hall Monika monika.hall@fhnw.ch Period: 2009–2013

Abstract: Ziel des Projektes ist es einen Standard für Nullenergie- Gebäude festzulegen. Da der Begriff Nullenergie-Gebäude momentan nicht klar definiert ist, müssen eindeutige Definitionen, Anforderungen und Systemgrenzen erarbeitet werden. Optimierung der Gebäudehülle und -technik gehen damit einher.

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ConTaCTors R&D 1.2

Lead: CONDE ENGINEERING Funding: BFE

Contact: Conde-Petit Manuel mconde.petit@mrc-eng.com Period: 2010–2012

Abstract: The objectives of Phase II of the MemProDEC Project are to demonstrate that an open absorption system combined with indirect evaporative cooling and limited chemical storage, can be advantagely operated as an autonomous Air Handling Unit without need of any other refrigeration system.

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l’haBiTaTion R&D 1.2

Lead: HEIG-VD LESBAT Funding: BFE

Contact: Citherlet Stéphane stephane.citherlet@heig-vd.ch Period: 2011–2014

Abstract: Ce projet vise à promouvoir la rénovation à hautes performan-ces environnementales en ne tenant pas uniquement compte de l’énergie consommée, mais en ayant une vision plus globale en utilisant une approche par écobilan. Cette approche permet d’avoir une vision globale des impacts environnementaux d’un bâtiment rénové en tenant compte de l’énergie consommée, des matériaux de construction utilisés des installations techniques.

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Jahr 1877 miT vErpUTZTEr aErogEl-hoChlEisTUngswärmEdämmUng R&D 1.2

Lead: Architekturbüro Vera Gloor AG Funding: BFE

Contact: Wenger Martin wenger@veragloor.ch Period: 2010–2012

Abstract: Die Energiebilanz des denkmalgeschützten Gebäudes aus dem Jahr 1877 konnte dank der verputzten Aerogel- Hochleistungswärmedämmung unter Wahrung des Erscheinungsbildes stark verbessert werden.

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Lead: Karin und Martin Stahl Funding: BFE

Contact: Peter Dransfeld dransfeld@dransfeld.ch Period: 2011–2013

Abstract: Sanierung eines EFH von 1963 als bilanziertes Plus-Energiehaus unter Berücksichtigung des Haushaltsstromes, der Grauen Energie, und der Mobilität gem. SIA 2040

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Lead: Renggli AG Funding: BFE

Contact: Renggli Max max.renggli@renggli-haus.ch Period: 2009–2012

Abstract: Swisswoodhouse ist ein mehrgeschossiges Gebäude, welches an zukünftige Wohnformen angepasst werden kann. Es vereint verschiedene Materialien wie Holz, Stahl und Beton um damit das beste Material für die jeweilige Aufgabe einzusetzen. Durch den hohen Vorfertigungsgrad für die Bauhülle und Gebäudetechnik soll das Produkt, trotz den hohen Anforderungen, wirtschaftlich sein.

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Lead: Empa Dübendorf Funding: BFE

Contact: Dorer Viktor viktor.dorer@Empa.ch Period: 2009–2012

Abstract: The project deals with the modelling of urban microclimate in street canyons and urban neighbourhoods taking into account combined effects of wind and solar radiation.

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Lead: Fachhochschule Nordwestschweiz Funding: BFE

Contact: Thomas Afjei thomas.afjei@fhnw.ch Period: 2012–2015

Abstract: Aktivierte Aussenflächen ersetzen Teile der konventionellen Gebäudehülle und fungieren als multifunktionale Komponenten zur Wärme- und Kälteerzeugung. Im Projekt AKTIVA werden Komponenten entwickelt, die sich speziell für den Kühlbetrieb eignen. Dazu werden abgestimmte hydraulische Schaltungen erarbeitet. Die Komponenten werden zunächst im Labormassstab getestet und im Anschluss in einem Feldtest vermessen.

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Lead: büro für umweltchemie Funding: BFE+AHB Zürich

Contact: Ueli Kasser u.kasser@umweltchemie.ch Period: 2012–2013

Abstract: Im Projekt werden die Ökobilanzdaten von Lüftungsanlagen (Basis: 10 Gebäude) und von Heizungsanlagen (Basis: 5 Gebäude) ermittelt.

Die Daten werden anschliessend aufbereitet für die Darstellung auf der KBOB-Liste und für ecoinvent.

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TEChnologiEs R&D 1.2

Lead: Empa Dübendorf Funding: BFE+ EuFP7

Contact: Matthias Koebel matthias.koebel@Empa.ch Period: 2012–2015

Abstract: This proposal outlines a concept that is likely to bring aerogel technology towards cost-effective mass production by developing a route for obtaining monolithic aerogels from sodium silicate (water glass) solutions using ambient pressure drying processes. A major challenge in this endeavour is that sodium silicate gels tend be more fragile than those made from silicon alkoxide precursors.

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Lead: ETH Zürich Funding: BFE

Contact: Leibundgut Hansjürg leibundgut@hbt.arch.ethz.ch Period: 2012–2013

Abstract: Es soll der Nachweis der Machbarkeit einer neuen Konstruktionsart einer Koaxial-Erdsonde mit gedämmtem Zentralrohr erbracht werden. Im Vorprojekt werden 3-D-Simulationen durchgeführt und die materialtechnische Machbarkeit soll nachgewiesen werden.

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ErdsondEnFEld P&D 1.2

Lead: HSLU Funding: BFE

Contact: Dieter Lüthi dieter.luethi@hslu.ch Period: 2012–2015

Abstract: Nördlich des Bahnhofs Rotkreuz wird eine Überbauung mit bis zu 2'500 Arbeitsplätzen und Wohnraum für bis zu 1'500 Bewohnern realisiert. Dieses Areal wird mit einer thermischen Arealvernetzung (Anergienetz) in Kombination mit einem Erdsondenfeld ausgerüstet, die im P&D-Projekt untersucht werden.

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Lead: Bureau d'Etudes Keller-Burnier Funding: BFE

Contact: Lucien Keller lucien.keller@sunrise.ch Period: 2012–2013

Abstract: Le projet cherche des méthodes pour le redimensionnement des circulateurs autres que ceux qui desservent un groupe indépendant de chauffage. Ce sont donc des pompes de groupe de chauffe-eau, de producteurs de châleur, de froid et d'autres applications dans grandes bâtiments, qui peuvent être optimisées.

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Lead: HSLU Funding: BFE+AHB Zürich

Contact: Heinrich Manz heinrich.manz@hslu.ch Period: 2012–2015

Abstract: Die ökologisch optimalen Dämmstärken bei Wohnbauten sollen – unter Berücksichtigung des gesamten Lebenszykluses eines Gebäudes – hinsichtlich Energie, Treibhausgaspotential und Umweltbelastung sowie in Abhängigkeit von Dämmmaterial, Standort, Heizsystem und Strommix ermittelt werden.

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ConTrol vEnTil Typ v & s P&D 1.2

Lead: OEKAG Funding: BFE

Contact: Giorgio C. Morandini info@oekag.com Period: 2012–2013

Abstract: Die untersuchten, neuartigen Ventile vermeiden die Wärmeverluste von Funktionsöffnungen. Mit der Installation unterschiedlicher Ventiltypen für Fortluftkanäle und Fallstrangentlüftungen auf einem grösseren Gebäude soll die Funktionstüchtigkeit unter realistischen Umwelteinflüssen überprüft werden.

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EnErgysTop® vEnTil Typ w (daChwassEraBlaUF miT EnErgiEvErlUsTBrEmsE) P&D 1.2

Lead: OEKAG Funding: BFE

Contact: Giorgio C. Morandini info@oekag.com Period: 2012–2013

Abstract: Die untersuchten Ventile vermeiden die Wärmeverluste von Funktionsöffnungen. Im zweiten Pilotprojekt wird ein neuartiger Dachwassereinlauf untersucht.

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Lead: Markus Portmann Funding: BFE

Contact: Markus Portmann markus.portmann@e4plus.ch Period: 2012–2015

Abstract: Im Projekt soll aufgezeigt werden, wie mittels intelligenter Stromversorgung und intelligentem Stromverbrauch ein hoher Anteil des Bedarfs mit der gebäudeeigenen PV-Anlage gedeckt werden kann. Dazu werden die Betriebszeiten der Verbraucher optimiert und auf die Produktion abgestimmt.

Martin Pulfer

Verkehr & Akkumulatoren

Hybrid-Bus der Carrosserie Hess AG

Ein aus einem BFE-Energieforschungsprojekt hervorgegangener Hybridbus der Carrosserie Hess AG holt Teilnehmer der Eidg.

Energieforschungskonferenz vor dem Bundeshaus ab (Quelle: Carrosserie Hess AG).

IEA Klassifikation: 1.3 Transport Schweizer Klassifikation: 1.2 Verkehr

Einleitung

Der Verkehr ist mit 36,5 % des Gesamt- bedarfs der grösste Energieverbraucher in der Schweiz. Von 1997 bis 2008 ist der Gesamtenergiebedarf der Schweiz um gut 10 %, derjenige des Verkehrs aber um 15 % gestiegen Die Gründe für die Zunahme des Verbrauchs im Ver- kehrsbereich sind:

• die steigende Bevölkerungszahl;

• das Anwachsen des Anteils der das Automobil nutzenden Bevölkerung;

• die steigende Motorisierung und der Trend zu schwereren Personenwagen;

• die steigende Verkehrsleistung bei praktisch allen Verkehrsmitteln;

• die vermehrte Staubildung;

• die verlängerte Freizeit und dadurch der erhöhte Freizeitverkehr.

Der Hauptverbraucher im Verkehr ist das Automobil. Dieses wird von der Indus- trie bezüglich Verbrauch, Emissionen, Sicherheit und auch Komfort laufend und teilweise massiv verbessert. Diese Zielgrössen sind jedoch stark konkurren- zierend. Gleichzeitig neigen Autokäu- fer immer noch zu leistungsstärkeren, grösseren und schwereren Fahrzeugen und/oder die Käufer werden mit der Werbung und der Beratung in ihrem

Kaufverhalten beeinflusst. Teilweise kon- junkturell bedingt, aber auch durch die Anstrengungen der Automobilindustrie (Verbrauchsvorschriften der EU und der Schweiz), wurde dieser Trend seit 2008 gebrochen und der mittlere Verbrauch der Neuflotte sank in den vergangenen Jahren von 8,4 l/100 km im Jahr 2000 auf 6,39 l/100 km im Jahr 2011.

Der Verkehr ist im Vergleich zu den an- dern Verbrauchergruppen der grösste Energieverbraucher und weist ein riesi- ges Einsparpotenzial auf. Eine Verbesse- rung / Innovation bei der Fahrzeugtech- nik setzt sich relativ rasch, innerhalb von 10 bis 20 Jahren, auf die gesamte Fahr- zeug flotte durch (Lebenszyklus Auto).

Schweizer Forschungs- und Entwick- lungsteams arbeiten an der Weltspitze mit und setzen markante Meilensteine.

Diese Teams können wegen dem Fehlen einer eigenen Autoindustrie freier arbei- ten und eigene Wege beschreiten.

In der Schweiz setzt der Verkehr pro Jahr ca. 6 Mio. Tonnen Erdölprodukte ab. Dies entspricht einem Importwert von rund 6 Mrd. CHF. Der Wirkungs- grad im Verkehr liegt bei bescheidenen 20 %. Eine Wirkungsgradverbesserung von nur 10 % würde die Handelsbilanz der Schweiz um 600 Mio. CHF verbes- sern. Eine weitere Verbrauchsreduktion

in der gleichen Grössenordnung könnte durch ein konsequentes Fahrverhalten im «Eco-Drive-Fahrstil» erreicht werden.

Die Reduktion der Fahrzeugmassen besitzt durch den «Schneeballeffekt»

eine gute Hebelwirkung: Ein leichteres Fahrzeug benötigt einen leichteren, leis- tungsarmeren Motor, leichtere Bremsen, leichtere Reifen, etc.

Die Kapazität des Schweizer Strassen- netzes stösst an ihre Grenzen. Energie- verpuffende Staus sind eine der unge- liebten Folgen. Damit verbunden sind immense externe Kosten.

Die Schweizer Industrie beschäftigt ak- tuell ca. 34‘000 Personen in der Auto- Zulieferindustrie und erzielt einen Jah- resumsatz von ca. 16 Mrd. CHF. Dazu ist die ebenfalls unterstützte Industrie «Öf- fentlicher Verkehr» zu zählen, die einen geschätzten Umsatz von ca. 2 Mrd. CHF erzielt und ungefähr 1‘200 Mitarbeiten- de beschäftigt (z. B. bei Carrosserie Hess und Stadler Rail).

Die Schweiz, die keinen Automobilher- steller beheimatet, verfügt dank dem Automobilsalon in Genf ein sehr gutes Schaufenster und wird von der Automo- bilindustrie auch als wichtiger Testmarkt angesehen.

Das Forschungsprogramm Verkehr un- tersucht Ansätze und Massnahmen zur Absenkung des Energieverbrauchs, ins- besondere beim Hauptverbraucher, dem motorisierten Individualverkehr. Dadurch soll der Energieverbrauch und generell die Umweltbelastung abgesenkt sowie der Industrie- und Bildungsstandort Schweiz gestärkt werden. Eine Verringe- rung des Energieverbrauchs beim Indivi- dualverkehr wird vor allem mit folgen- den Ansätzen angestrebt:

• Leichtbau von Fahrzeugen;

• hoch effiziente Antriebssysteme;

• kleine Verkehrssysteme (z. B. E-Bikes).

Das Forschungsprogramm verfolgt als Hauptziel die längerfristige Absenkung des Energieverbrauchs des Verkehrs ge- mäss der Nachhaltigkeitsstrategie des Eidgenössischen Departements für Um- welt, Verkehr, Energie und Kommunika- tion (UVEK). Die Hauptziele lauten:

• Energiebedarf und CO₂-Emissionen der Transportmittel für den motori- sierten Individualverkehr (MIV) sen- ken;

• CO₂-Emissionen reduzieren durch Transportmittel mit alternativen Treib- stoffen und/oder höherer Effizienz und der Verlagerung zu kleineren Transportsystemen oder dem öffent- lichen Verkehr;

• die Graue Energie des Systems «Ver- kehr» senken;

• eine Diversifizierung der Energieträ- ger, welche die Abhängigkeit vom Erdöl vermindert, die Reichweite desselben verlängert und die Versor- gungsicherheit gewährleistet.

Weiter sollen generell sämtliche Emis- sionen des motorisierten Individualver- kehrs (MIV) gesenkt, die Sicherheit trotz reduzierter Fahrzeugmasse verbessert, der Raumbedarf des MIV verringert, so- wie der Industrie- und Bildungsstandort Schweiz gestärkt werden.

Das Forschungsprogramm Akkumulato- ren verfolgt folgende Forschungsschwer- punkte: Möglichkeiten zur verbesserten elektrochemischen und elektrostatischen Energiespeicherung. Der aktuelle Fokus liegt bei der Zebrabatterie, einem seit 1999 in der Schweiz entwickelten Akku- System mit sehr hoher Energiedichte, nahe der Marktreife und einem wei- terhin vorhandenen grossen Verbesse- rungspotenzial. Der Grund für diese Fo- kussierung liegt darin, dass die Schweiz neben diesem System nur über eine sehr kleine Industrie für Lithium-Akkumula- toren verfügt – dem Hauptthema in der Akkuforschung.

Ausblick

Im Jahr 2013 werden einige spannende Projekte abgeschlossen, die wegweisen- de und aufschlussreiche Resultate erhof- fen lassen:

• Cohyb: ein hocheffizientes, ideal dar- gestelltes hybrides Antriebskonzept mit minimalen CO₂-Emissionen.

• Ahead: das Busprojekt verbessert nachhaltig den Energieverbrauch im öffentlichen Verkehr und zeigt gleich- zeitig kostenoptimale Lösungen auf.

• E-Scooters: E-Scooters bewähren sich u.A. bei der Post im Alltag und sparen massiv Energie.

• Statusbericht Akkumulatoren: Eine Darstellung der globalen Forschungs- bemühungen zu Energiespeicher.

Programmschwerpunkte

Hybridbus AHEAD [10]

Das vom BFE unterstützte Projekt AHEAD-BH 12m befasst sich mit der Umsetzung der Forschung aus dem KTI-Projekt AHEAD. In einem Stadtbus mit seriellem elektrischem Hybridan- trieb implementiert die Carrosserie Hess AG zusammen mit der ETHZ ein neues Energiemanagement mit dem Ziel, den Treibstoffverbrauch gegenüber her- kömmlichen Dieselfahrzeugen deutlich zu senken. Das Fahrzeug wurde von der Firma Carrosserie Hess von Grund auf neu entwickelt und wird ab Anfang 2013 auf der Strasse getestet.

Ein weiteres Ziel des Projektes beinhaltet die Erstellung einer Softwarearchitektur, die kurzfristige Parametervariationen erlaubt, um verschiedene Prädiktions- verfahren des Energiemanagements auszutesten und etwaige neue Problem- stellungen untersuchen zu können. Im Anschluss an funktionelle Tests und Si-

cherheitsüberprüfungen werden der Bus und insbesondere das Energiemanage- ment im Linienbetrieb im Hinblick auf die gesetzten Leistungsziele evaluiert.

Carrosserie Hess und die ETHZ arbeiten seit längerem eng zusammen, sodass die verschiedenen Teilaspekte des Pro- jekts meist gemeinsam bearbeitet wor- den sind. Die wichtigsten vier Eckpunkte werden im Folgenden kurz beschrieben:

(1) Bei herkömmlichen Dieselfahrzeu- gen ergeben sich die momentanen An- forderungen an den Dieselmotor direkt aus dem vom Fahrer angefragten An- triebsmoment, da der Dieselmotor über Getriebe und Kupplung direkt mit der Antriebsachse verbunden ist. Bei einem seriellen Hybridfahrzeug sind hingegen der elektrische Antriebsmotor und der Dieselmotor mechanisch unabhängig, sodass in der Ansteuerung des Diesel- motors ein Freiheitsgrad besteht, mit der Bedingung, dass dem Gesamtsystem zu

jedem Zeitpunkt genügend elektrische Energie zur Verfügung stehen muss, um die Fahreranforderungen abzudecken.

Dies ermöglicht, dass der Dieselmotor vorzugsweise in Regionen mit hohem Wirkungsgrad betrieben und abschnitts- weise ganz ausgeschaltet werden kann.

Zu diesem Zweck wurden verschiedene Dieselgenerator-Regelungen entwickelt und simuliert, um diese im Anschluss auf dem Prüfstand auf ihre Tauglichkeit zu untersuchen.

(2) Das Energiemanagement bildet zwar den Kern des Fahrprogramms, es muss aber in eine Gesamtarchitektur eingebet- tet werden. Diese soll die Kommunikati- on mit den verschiedenen Komponenten des Busses sicherstellen, zuverlässig auf Fehler oder Unsicherheiten reagieren und die Sicherheit des Gesamtsystems garantieren. Dies bedeutet, dass das Sys- tem an Hand von diversen Messungen auf den Zustand des Busses schliessen, und den dazu passenden Betriebsmodus wählen muss. Diese Architektur wurde anfangs entwurfsmässig aufgrund ver- schiedener Spezifikationen und Anfor- derungen erstellt und anschliessend suk- zessive ausgearbeitet.

(3) Um die Funktionalität und das Zu- sammenspiel von Antriebsstrang und Software auszutesten, steht beim Liefe- ranten der elektrischen Komponenten ein Prüfstand zur Verfügung. Auf diesem konnte die Kommunikation zwischen dem Zentralrechner mit dem Controller der Umrichter auf der einen und dem Dieselmotor auf der anderen Seite, er- probt werden. In einem weiteren Schritt wurde das Verhalten des Gesamtsystems für verschiedene Fahrzyklen betrachtet und gegebenenfalls angepasst. Zudem konnten die vorgängig erstellten Model- le verifiziert werden. Die Daten, die wäh- rend den Fahrversuchen gesammelt wer- den, müssen für die Auswertung rasch ausgelesen und aufbereitet werden.

(4) Ende 2012 wurde der Bus fertigge- stellt und es wurden erste Fahrversuche unternommen.

Für das erste Halbjahr 2013 sind einer- seits Testfahrten geplant, um den rei- bungslosen Fahrbetrieb gewährleisten zu können, andererseits sind in einem späteren Zeitpunkt Fahrten auf einer Li- nie vorgesehen, bei welchen dann auch Figur 1: AHEAD Systemarchitektur.

Highlights aus Forschung und Entwicklung

Figur 2: AHEAD: Prinzipieller Aufbau der Antriebseinheit – die Position der Ultrakondensato- ren verbessern die Masseverteilung im Fahrzeug.

Personen befördert werden sollen. Des Weiteren werden diverse Peripherie-An- wendungen implementiert, wie z. B. das Auslesen von Fehlerspeichern über das Mobilfunknetz oder Prädiktion mittels GPS-Daten.

Efficient fully variable valve actuation [8]

Im Gegensatz zu den konventionellen, nockenwellengesteuerten Einlass- und Auslassventilen bei Verbrennungsmo- toren, welche beschränkte Flexibilität zur gezielten Beeinflussung des Gas- wechsels bieten, ermöglichen flexibel betätigbare Gaswechselventile Vorteile bezüglich Wirkungsgrad und Schadstof- femissionen. Das Projekt Efficient fully variable valve actuation (EVA) der Empa setzt sich zum Ziel, einen solchen voll fle- xiblen, hydraulisch betätigten Ventiltrieb in einer ersten Phase mittels Simulation detailliert auszulegen und diesen in einer zweiten Phase in einem Funktionsmuster umzusetzen. Die erste Phase (Simula- tion, Auslegung) wurde im Verlauf des Berichtjahres abgeschlossen und der Aufbau eines Funktionsmusters (2. Pro- jektphase) wurde begonnen.

Eine Schlüsselkomponente hydraulischer Ventilsteuerungen sind extrem schnell schaltende Magnetventile (Schaltzeiten deutlich unter 1 ms). Für das EVA-Sys- tem müssen diese Ventile zudem noch für beide Strömungsrichtungen bis zu ei- nige hundert bar druckfest sein. Die Eva- luation hat gezeigt, dass keine solchen Magnetventile kommerziell verfügbar sind. Es konnte aber ein Hersteller ge- funden werden, welcher bereit war, für das Projekt speziell schnelle und druck- feste Ventile als Funktionsmuster zu fer- tigen. Mit diesen Magnetventilen wurde ein hydraulisches Gesamtsystem kons- truiert, ausgelegt und gefertigt. Zudem wurde ein ausreichend leistungsfähiges Steuer- und Regelungssystem aufge- baut. Das Gesamtsystem befindet sich Ende 2012 in der Aufbauphase und wird im Jahr 2013 zur Funktion gebracht.

E-Scooters

Das interdisziplinäre Forschungsprojekt E-Scooter der Uni Bern, der Empa und von NewRide hat zum Ziel, einen Bei- trag zur technischen Weiterentwicklung von Scooters mit elektrischem Antrieb (E-Scooter) zu leisten, die Markteinfüh- rung dieser neuen Fahrzeuge wissen- schaftsseitig zu unterstützen und ihre Auswirkungen auf Energie, Umwelt und Mobilitätsverhalten zu analysieren. Eine Analyse der globalen Marktentwick- lung zeigt, dass bedeutende Scooter-

Hersteller wie BMW, Peugeot, Yamaha und SYM E-Scooters an weltweiten Ausstellungen entsprechende Modelle präsentieren, wenn auch teilweise erst als Prototypen. In der Schweiz geht die Marktentwicklung zurzeit nur zögerlich voran. Eine vergleichende Nischenana- lyse zeigt auf, dass zwei Funktionen schwach ausgeprägt sind, die für eine Verbreitung dieser Fahrzeuge wichtig wären: eine «Orientierungshilfe für die Lösungssuche» (z. B. erfolgreiche Ge- schäftsmodelle) und die «Schaffung von Legitimität» (z. B. durch zu lasche Emis- Figur 3: Das System funktioniert mit zwei unterschiedlichen Druckniveaus (blau: tieferer Druck, rot: höherer Druck) und kann dadurch die im Gas gespeicherte Energie hydraulisch rekuperieren.

Figur 4: Aufgebautes Funktionsmuster des Ventiltriebes zum Nachweis der Funktion und zur Validierung der Simulationsergebnisse.